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您真正应该知道的10条科学定律和理论

科学的 laws and theories collage
无论是发射航天飞机还是试图发现另一个类似于地球的星球,我们都依靠科学定律和理论来指导我们。 ©2018蜂鸟知识网

试图描述大自然和宇宙如何运转时,科学家可以使用许多工具。通常,他们首先要寻求法律和理论。有什么不同?一种 scientific 法 通常可以简化为数学表达式,例如E =mc²;它是基于经验数据的特定陈述,其真实性通常仅限于某些条件。例如,在E =mc²的情况下,c是指真空中的光速。

A scientific 理论 通常试图综合一些证据或对特定现象的观察。通常,尽管并非总是如此,这是关于自然如何运作的宏伟,可检验的陈述。您不一定要将科学理论简化为精妙的陈述或等式,但它确实代表了有关自然运作方式的一些基本知识。

法律和理论都取决于科学方法的基本要素,例如产生 假设,测试该前提,发现(或未发现)经验证据并得出结论。最终,如果实验注定要成为广泛接受的法律或理论的基础,其他科学家必须能够复制结果。

在本文中,我们将研究您可能想借鉴的10条科学定律和理论,即使您发现自己无法进行扫描, 电子显微镜 所有这些经常。我们将从爆炸开始,然后继续研究宇宙的基本定律 演化。最后,我们将探讨一些前沿材料,深入研究量子物理学领域。

大 bang theory illustration
The big 砰 理论 ©2018蜂鸟知识网

如果您要了解一种科学理论,请使其成为可以解释宇宙如何到达其当前状态的科学理论。根据Edwin 哈勃,Georges Lemaitre和Albert Einstein等人的研究, big 砰 理论 假设宇宙始于140亿年前,发生了一次大规模的膨胀事件。当时,宇宙被限制在一个单一的点上,涵盖了宇宙的所有物质。随着宇宙不断向外扩张,原始运动在今天继续进行。

阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现后,大爆炸理论在科学界得到了广泛支持 宇宙的 microwave background radiation 1965年,两位天文学家使用射电望远镜检测到了宇宙噪声,即静态噪声,这些噪声不会随着时间的流逝而消散。与普林斯顿大学研究员罗伯特·迪克(Robert Dicke)合作,两人证实了迪克的假设,即最初的大爆炸留下了整个宇宙可检测到的低水平辐射。

哈勃's law of cosmic expansion illustration
哈勃及其著名的法律有助于量化宇宙星系的运动。 ©2018蜂鸟知识网

让我们坚持一下埃德温·哈勃。当1920年代咆哮过去,大萧条逐渐过去时,哈勃正在进行开创性的天文学研究。哈勃不仅证明还有其他 星系 除了 银河,他还发现这些星系正在远离我们自身,这是他称之为的运动 经济衰退.

为了量化星系运动的速度,哈勃提出了 哈勃'宇宙膨胀定律,又称为哈勃定律,该方程式说明: 速度= H × 距离. 速度 代表星系的后退速度; H 哈勃常数,或表示宇宙膨胀速率的参数;和 距离 是银河系与被比较星系的距离。

哈勃常数的计算方法是随时间推移以不同的值进行计算,但是当前接受的值为每兆帕秒70公里/秒,后者是星际空间中的距离单位。 白色]。就我们的目的而言,这并不重要。最重要的是,哈勃定律提供了一种简洁的方法来测量银河系相对于我们自身的速度。也许最重要的是,该法律确定宇宙是由许多星系组成的,它们的运动可追溯到大爆炸。

开普勒's laws of planetary motion illustration
Kepler's 法 of areas ©2018蜂鸟知识网

几个世纪以来,科学家们和宗教领袖们就行星的轨道,特别是它们是否绕着我们的太阳轨道进行了斗争。在16世纪,哥白尼提出了他有争议的日心太阳系概念,其中行星围绕太阳而不是地球旋转。但是约翰·开普勒(Johannes 开普勒)将在泰科·布拉赫(Tyco Brahe)和其他人的工作基础上,为行星的运动建立明确的科学基础。

开普勒's three 法律 of 行星的 运动 它形成于17世纪初期,描述了行星如何绕太阳运转。第一定律,有时称为 法 of 要么bits,指出行星以椭圆形绕太阳公转。第二定律 法 of areas指出连接行星与太阳的线在相等的时间内覆盖相等的面积。换句话说,如果您要测量通过绘制一条从地球到太阳的直线并跟踪地球在30天内的运动而创建的区域,则无论测量开始时地球在其轨道上的哪个位置,该区域都是相同的。

的third 上 e, the 法 of periods,使我们能够在行星的轨道周期与其离太阳的距离之间建立清晰的关系。有了这个定律,我们知道像金星这样的相对靠近太阳的行星的轨道周期要比像海王星这样的遥远的行星要短得多。

牛顿's law of gravitation illustration
多亏牛顿的万有定律,我们才能计算出任意两个物体之间的重力。 ©2018蜂鸟知识网

我们可能现在就认为这是理所当然的,但是300多年前 Sir Isaac 牛顿 提出了一个革命性的想法:任何两个物体,无论其质量如何,都可以发挥作用 引力al 向对方逼近。该定律由许多高中生在物理课上遇到的方程表示。内容如下:

F = G×[(米1m2)/ r2]

F 是两个物体之间的重力,以牛顿为单位。 M1m2 是两个物体的质量,而 r 是它们之间的距离。 G 是重力常数,当前计算为6.672×10-11 牛顿米2 公斤-2 [资源: 魏斯坦]。

万有引力定律的好处在于,它使我们能够计算任意两个物体之间的引力。例如,当科学家计划放置一个 卫星 在轨道上或绘制飞行路线图 月亮.

牛顿's second law of motion illustration
Newton's 第二 法 of 运动 ©2018蜂鸟知识网

只要我们谈论的是有史以来最伟大的科学家之一,就让我们继续 牛顿's other famous 法律. His three 法律 of 运动 构成现代物理学的基本组成部分。与许多科学定律一样,它们的简洁性也相当优雅。

这三个定律中的第一个定律是运动的对象保持运动,除非受到外力作用。对于在地板上滚动的球,该外力可能是球与地板之间的摩擦,也可能是蹒跚学步的孩子将球踢向另一个方向。

的second 法 establishes a connection between an object's mass (m) 和 its acceleration (a),以等式的形式 F =米 × a. F 代表力,以牛顿为单位。它也是一个向量,意味着它具有方向分量。由于它的加速,在地板上滚动的球有一个特殊的 向量,它的行进方向,并在计算其作用力时考虑在内。

第三定律相当虚弱,应该为您所熟悉:对于每个动作,都会有一个平等而相反的反应。即,对于施加到物体或表面的每个力,该物体以相等的力向后推。

法规 of thermodynamics illustration
The 法律 of 热力学 in action ©2018蜂鸟知识网

英国物理学家和小说家C.P.斯诺曾经说过,一个不了解热力学第二定律的非科学家就像一个从未读过莎士比亚的科学家[资料来源: 兰伯特]。斯诺现在出名的声明旨在强调热力学的重要性以及非科学家了解它的必要性。

热力学 研究能量在系统中如何工作,无论它是 发动机 要么 地球的 核心。它可以简化为几条基本定律,斯诺巧妙地总结如下[来源: 物理星球]:

让我们打开这些包装。斯诺说您无法获胜,这意味着既然物质和能量都得到了保存,那么您就不能不放弃其中的一个而获得一个(即E =mc²)。这也意味着,要使发动机运转,就必须供热,尽管在完全封闭的系统之外的任何其他情况下,热量不可避免地会散失到外界,这导致了第二定律。

第二个陈述-您无法收支平衡-表示由于不断增加 ,您无法返回相同的能量状态。集中在一处的能量将始终流向浓度较低的地方。

最后,第三定律(您不能退出游戏)指的是绝对零,即可能的最低理论温度,以开尔文或零(摄氏273.15摄氏度和华氏459.67摄氏度)测量。当系统达到绝对零时,分子停止所有运动,这意味着没有动能,并且熵达到了其可能的最低值。但是在现实世界中,即使在太空凹处,也绝对不可能达到零值-您只能非常接近它。

阿基米德 buoyancy principle illustration
浮力可确保从橡皮鸭到远洋客轮的所有漂浮。 ©2018蜂鸟知识网

据称,他发现了浮力原理后,古希腊学者阿基米德大喊大叫"Eureka!"然后赤裸裸地穿过锡拉库扎市。这个发现是如此重要。传说阿基米德注意到了 他进入浴缸时上升[来源: 雷神之锤]。

根据 阿基米德' 浮力 原理,作用在浸没或部分浸没的物体上或漂浮的力等于该物体置换的液体的重量。这种原理的应用范围非常广泛,对于密度计算以及设计潜艇和其他远洋船只来说都是必不可少的。

演化 and natural selection illustration
一个关于自然选择如何在青蛙中发挥作用的假设(简化)示例。 ©2018蜂鸟知识网

既然我们已经建立了一些关于宇宙如何开始以及物理学如何在我们的日常生活中发挥作用的基本概念,让我们将注意力转移到人类形态以及我们如何成为我们的方式上。根据大多数科学家的说法,所有生命 地球 有一个共同的祖先。但是为了在所有活生物体之间产生巨大的差异,某些生物必须 发展 变成不同的物种。

从根本上讲,这种分化是通过进化,经过修改的后裔产生的[来源: UCMP]。 人口 生物通过突变等机制发展出不同的特征。自然选择那些具有生存优势的特征,例如青蛙,其棕色的颜色使其可以在沼泽中伪装;因此这个词 自然 选择.

可能会更详细地扩展这两种理论,但这是基础的,开创性的发现, 达尔文 这是19世纪的成就:自然选择带来的进化说明了地球上生命的巨大多样性。

理论 of General Relativity illustration
爱因斯坦的广义相对论改变了我们对宇宙的理解。 ©2018蜂鸟知识网

阿尔伯特·爱因斯坦 广义相对论 仍然是一项重要且必不可少的发现,因为它永久性地改变了我们对宇宙的看法。爱因斯坦的重大突破是说空间和时间不是绝对的,重力不是简单地施加到物体或质量上的力。而是 重力 与任何质量相关的曲线都围绕其周围的空间和时间(通常称为时空)。

为了将其概念化,假设您正在穿越 地球 沿直线向东,从北半球开始。过了一会儿,如果有人在地图上指出您的位置,那么您实际上将在原始位置的东边和南边。那是因为地球是弯曲的。要直接向东旅行,您必须考虑地球的形状并将自己稍微向北倾斜。 (考虑一下平面纸地图和球形地球仪之间的区别。)

空间几乎相同。例如,对于绕地球轨道飞行的航天飞机的乘客来说,看起来就像是他们在直线上穿越太空。实际上,它们周围的时空正受到地球引力的弯曲(就像任何具有巨大引力的大物体(例如行星或黑洞)一样),导致它们既向前移动又看上去绕地球旋转。

爱因斯坦的理论对天体物理学和宇宙学的未来具有巨大的影响。它解释了水星轨道上的一个微小的意外异常,显示了星光如何弯曲并为黑洞奠定了理论基础。

海森堡 uncertainty principle
它是粒子,波浪还是两者? ©2018蜂鸟知识网

爱因斯坦的广义理论 相对论 告诉我们更多有关宇宙如何工作的知识,并帮助奠定了量子物理学的基础,但同时也给理论科学带来了更多混乱。 1927年,这种感觉认为宇宙定律在某些情况下是灵活的,这导致了德国科学家Werner 海森堡的开创性发现。

在假设他的 不确定性原则,海森堡意识到,不可能同时高精度地知道粒子的两个属性。换句话说,您可以高度确定地知道电子的位置,但不知道它的动量,反之亦然。

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)后来发现了一个有助于解释海森堡原理的发现。玻尔发现电子既具有粒子又具有波的性质,这一概念被称为 波粒对偶,这已成为量子物理学的基石。因此,当我们测量电子的位置时,我们会将其视为空间中特定点处具有不确定波长的粒子。当我们测量它的动量时,我们将其视为波,这意味着我们可以知道其波长的幅度,但不能知道其位置。

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最初发布:2011年1月19日

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